"Ельбрус" - процесор російського виробництва. Технічні характеристики та історія створення

З моменту зародження обчислювальної техніки в нашій країні проектування високопродуктивних систем розглядалося як одна з найважливіших цілей вітчизняної науки. З 90-х років дослідження були пов`язані з принципово новим умовою - необхідністю виконання нових розробок на базі російських мікропроцесорів. У підсумку був створений «Ельбрус» - процесор, за своїми обчислювальним потужностям не поступається кращим зарубіжним моделям.

Історія створення

В даний час всього в декількох країнах світу проектують комп`ютери на мікропроцесорах власної розробки - у США, Англії, Японії та Китаї. Очевидно, що в рамках безпеки та імпортозаміщення Росії також потрібен свій процесор, достатній для забезпечення вимог збройних сил, силових відомств, органів управління та освіти. А по можливості - і комерціалізація продукту. Після десятиліть активних робіт ученим та інженерам Московського центру Спарк-технологій (МЦСТ) не соромно уявити новітню розробку 2014-15 років: восьмиядерний процесор «Ельбрус 8с». Але до цієї історичної події був пройдений довгий шлях теоретичних розрахунків і практичних досліджень.

У СРСР видатне значення в становленні і розвитку обчислювальної техніки мали роботи академіка С. А. Лебедєва. У керованому ним при Академії наук Інституті точної механіки та обчислювальної техніки (ІТМ і ВТ) були створені електронні обчислювальні машини (ЕОМ) п`ятнадцяти моделей - від перших, лампових, до швидкодіючих машин на інтегральних схемах.

«Ельбрус-1»

Ідея архітектурної лінії, згодом закладеної в російський процесор «Ельбрус», народилася в 1969 році. Приводом для розробок послужила необхідність «інтелектуалізації» стратегічних систем. Головним конструктором став В. С. Бурцев, видатний фахівець з обчислювальної техніки, згодом академік РАН.

У 1979 році в ІТМ і ВТ держкомісії було представлено перше покоління многопроцессорного обчислювального комплексу (МВК) «Ельбрус». Процесор був спроектований на базі TTL-логіки. Система використовувалася у військовій промисловості.

«Ельбрус-2»

Через шість років успішно пройшло випробування друге покоління МВК «Ельбрус». Процесор і нова елементна база були повністю вітчизняної розробки. Система базувалася на швидкодіючих інтегральних схемах з емітерний-пов`язаної логікою серії ІС-100. Продуктивність «Ельбрус-2» в десятіпроцессорной конфігурації становила 125 млн. Операцій в секунду.

МВК будувався за модульним принципом з підвищеною надійністю. Завдяки швидкодії та відмовостійкості комплекс використовувався багато років в ключових об`єктах стратегічних систем. Унікальні для того часу характеристики МВК досягалися впровадженням і розвитком ряду передових ідей в організації обчислювального процесу.

«Ельбрус-3»

Наступним етапом (1986-1994) стало створення третього покоління МВК «Ельбрус». Процесор став ще більш потужним, елементна база - більш досконалою. Керівником проекту обрали член-кореспондента АН Б. А. Бабаяна. До речі, він вніс фундаментальний внесок у розробку МВК «Ельбрус-1» і «Ельбрус-2».

Оцінивши переваги і недоліки розробленої ним суперскалярной архітектури, реалізованої у другому поколінні МВК, Борис Арташесович запропонував більш просунуту реалізацію концепції широкого командного слова. До розвалу Союзу фахівці встигли зібрати дослідний зразок, однак фінансування надалі нові власті припинили.

Новітній час

Продовження цієї проектної лінії пов`язане з діяльністю ЗАТ МЦСТ. У його структурі провідні вітчизняні мікроелектронники, зробивши принципову ставку на використання мікропроцесорних технологій, приступили до створення двох серій мікропроцесорів і обчислювальних комплексів на їх основі. Ці роботи згодом дозволили створити потужний російський процесор «Ельбрус» 2014 випуску.

Проектної основою першої серії стала відкрита архітектура Scalable Processor Architecture (SPARC), специфіковані корпорацією Sun Microsystems. На її основі були створені процесори сімейства «R».

Базою другої серії стала оригінальна архітектура «Ельбрус», розвиваюча принципи, які були апробовані і закладені в МВК-3 (спочатку вона іменувалася «архітектура E2k»). Всього було створено чотири основних типи процесорів. Отже, «Ельбрус» (процесор): порівняння моделей наведено в таблиці нижче.

«Ельбрус-4с»

Однією з останніх вдалих розробок компанії МЦСТ став процесор «Ельбрус-4с». Його архітектура заснована на оригінальній розробці, базою для якої послужила мікроархітектура VLIW. За процеси обчислення відповідають 4 ядра по 800 МГц, кеш-пам`ять по 2 Мб на кожному ядрі.

Незважаючи на гадану архаїчність в плані технології виробництва (великі розміри, невелика частота, техпроцес «минулого століття» 65 нм), ефективність електронного пристрою порівнянна з процесорами Intel серії «i». При меншому споживанні потужності (45 Вт) його продуктивність становить до 50 Гфлопс. Для порівняння: старша модель Intel Core i7-975 Extreme Edition має продуктивність 53 Гфлопс при набагато більших частотах і енергоспоживанні. Цей сучасний російський процесор «Ельбрус» +2014 року випуску пройшов необхідні випробування і вийшов в серію.

«Ельбрус-8С»

Схоже, час еволюції закінчилося, настала черга революційного для вітчизняної мікроелектроніки прориву. ЗАТ «МЦСТ» спільно з Інститутом електронних керуючих машин розробило і випустило інженерні зразки продукту нового покоління. До промисловому виробництву готується процесор «Ельбрус 8с», створюваний по 28-нанометровим техпроцесом.

Працювати пристрій буде в парі з контролером також вітчизняної розробки КПІ-2. Хоча контролер поки випускається по 65 нм техпроцесу, він підтримує три гігабітних мережевих контролера Ethernet, 20 ліній шини PCI-Express 2.0, вісім USB-портів 2.0, вісім SATA-портів. Обмін даними з процесором складає 16 Гб / сек.

Технічні характеристики

Виробник розкрив основні характеристики новітньої системи «Ельбрус»:

• Процесор - 8 ядер без гіпертредінга.
• Площа кристала - 350 мм².
• Кеш другого рівня для кожного ядра - 512 Кв.
• Кеш третього рівня є загальним - 16 Мб.
• Виконання за такт - 30 операцій.
• Частота тактова - 1,3 ГГц, при цих параметрах гарантується безперебійна робота всіх ядер необмежений час, навіть при стовідсотковому завантаженні.
• Продуктивність (пікова) - 250 Гфлопс.
• Потужність - 60-90 Вт
• Ліцензійна незалежність від Intel, при цьому забезпечена підтримка основних операційних систем з архітектурою x86 / x86-64.

Як бачимо, російський процесор "Ельбрус" останнього покоління в п`ять разів продуктивніше моделі 4С.

Архітектура

В якості найважливішого результату компанія ЗАТ МЦСТ розробила оригінальну мікропроцесорну архітектуру «Ельбрус». Процесор орієнтований на отримання максимального для даних апаратних ресурсів показників продуктивності. У загальній класифікації вона відноситься до категорії архітектур, що використовують принцип широкого командного слова VLIW (Very Large Instruction Word), коли компілятор формує для паралельного виконання послідовності груп команд (широкі командні слова), в яких відсутні залежності між командами всередині групи і зведені до мінімуму залежності між командами в різних групах.

Таким чином, російська процесор «Ельбрус» у високому ступені використовує паралелізм на рівні операцій, присутній у даному програмному коді. У результаті досягається велика архітектурна швидкість за рахунок звільнення апаратури від функцій розпаралелювання, властивих суперскалярні архитектурам, і передачі їх оптимізуючий компілятор. Це зумовило і іншу найважливішу особливість, властиву архітектурі «Ельбрус» - низький рівень енергоспоживання апаратури.

Поряд з ефективним використанням паралелізму операцій в архітектурі пристрою «Ельбрус» закладена реалізація та інших видів (рівнів) паралелізму, властивих обчислювальному процесу:

• паралелізму задач в багатомашинних комплексах;
• паралелізму потоків управління на загальній пам`яті;
• векторного паралелізму.

Сумісність з архітектурою x86

В якості принципової вимоги до архітектури розробники спочатку розглядали забезпечення ефективної двійковій сумісності з домінуючою архітектурою мікропроцесора Intel x86. Вона реалізується на базі прихованої динамічної трансляції та її підтримки в апаратурі мікропроцесора «Ельбрус». Також до визначальних властивостям нової вітчизняної архітектури відноситься розвинена апаратна підтримка захищених обчислень (модульного програмування), істотно полегшує роботу програмістів при створенні великих програмних комплексів з обмеженими термінами виконання.

Практичне застосування

Де ж планується застосовувати російські процесори? Необхідно розуміти, що дана продукція розробляється з єдиною метою - забезпечити самодостатню, незалежну від поставок та ліцензування мікроелектроніку і обчислювальну техніку. Комп`ютери на процесорі «Ельбрус» з підвищеним рівнем безпеки і захищеністю від комп`ютерних вірусів затребувані у військовій промисловості, в службах безпеки, важливих державних установах.

Тим часом, система дозволяє встановлювати звичні Windows і Linux, що відкриває шлях якщо не до пересічному споживачеві, то до корпоративного сектору. Компанія МЦСТ пропонує захищені комп`ютери і сервери, здатні функціонувати в несприятливих навколишніх умовах.